Motores de Combustión Interna

Presentación del tema: "Motores de Combustión Interna"— Transcripción de la presentación:

1 Motores de Combustión Interna
Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables Img. 1 Img. 3 Img. 4 Img. 2 Motores de Combustión Interna Nayví Ferrer Frontela

2 Motores de Combustión Interna
TEMA 5: “FORMACIÓN DE LA MEZCLA” CONFERENCIA 12: Formación de la mezcla en Gasolina DURACION: 2 horas.

3 SUMARIO BIBLIOGRAFIA: Clasificación
Formación de la mezcla de los motores de encendido por chispa. Generalidades sobre la carburación. Fundamentos físicos del proceso de carburación. Característica del carburador elemental. Sistemas agregados al carburador elemental BIBLIOGRAFIA: Jovaj, Motores de Automovil. (Págs. 269 – 314) José Luis Reyes, Teoría de MCI. 3

4 Conocer la característica del carburador elemental.
OBJETIVOS Saber clasificar los Motores de Combustión Interna en cuanto a su formación de la mezcla. Conocer como se forma la mezcla en los motores de encendido por chispa (gasolina). Conocer los requerimiento de la mezcla para regímenes estacionarios y transitorios. Conocer la característica del carburador elemental. Conocer cuáles son los sistemas agregados al carburador elemental y sus características 4

5 CLASIFICACIÓN. La formación de la mezcla puede clasificarse atendiendo a si la misma se realiza dentro o fuera de los cilindros en Formación de la Mezcla Interna o Externa. La formación externa es la utilizada en los motores de encendido por chispa (ECH), se realiza fuera de los cilindros, bien mediante un carburador o bien mediante la inyección del combustible en el múltiple de admisión. 5

6 FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES ECH
La formación de la mezcla aire-combustible en los motores de encendido por chispa transcurre en el sistema de admisión y antecede al encendido de la carga. Distribución de los vapores de combustible en el aire, uniforme La relación entre el No. moléculas de combustible y el No. moléculas de oxígeno del aire que las rodean resulte igual en toda la cámara de combustión. Formación homogénea de la mezcla Colector de aspiración Carburador Cilindro 6

7 FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES ECH
Complejidad para obtener una mezcla de aire- combustible homogénea en caso de formación externa. El aire empieza a mezclarse con el combustible cuando este se encuentra en estado bifásico (vapor-Líquido). La relación de los volúmenes de los componentes (de la gasolina totalmente volatilizada y del aire) contituye aproximadamente 1:50. Siendo iguales los volúmenes de los componentes de la mezcla, resulta bastante fácil obtener una mezcla uniforme. Ejemplo. Al mezclar el aire con un gas natural (metano), para cuya combustión hace falta una cantidad de aire en volumen solamente 9 veces mayor. 7

8 FORMACIÓN DE LA MEZCLA EN LOS MOTORES ECH
TIPOS DE FORMACIÓN EXTERNA DE LA MEZCLA EN FUNCION DEL TIPO DE MOTOR. Carburación. Inyección de combustible ligero en el colector de admisión : Se realiza ya sea por dosificación permanente de combustible en el colector o por porciones durante el período que está abierta la válvula de admisión. Por cámara de precombustión. A gas 8

9 Generalidades sobre la Carburación
Se denomina carburación al proceso de preparación de la mezcla aire-combustible. Este proceso incluye el movimiento del aire a través del carburador y por el colector de admisión, el paso de combustible por los canales del cuerpo del carburador a través de orificios calibrados que dosifican el consumo de combustible (surtidores de combustible) y a través de las válvulas de los dispositivos adicionales del carburador; la salida del combustible o de la emulsión aire-gasolina desde las toberas pulverizadora, la pulverización del combustible en el flujo de aire, la volatilización y la mezcla con el aire. La dosificación del combustible y del aire realizada por el carburador hasta el instante en que la mezcla ingresa al cilindro representa la fase inicial de la formación de la mezcla. El proceso culmina en el cilindro durante la admisión y compresión preparándose la mezcla combustible a un encendido forzado por la chispa eléctrica. 9

10 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CARBURACIÓN
El tiempo: En los motores modernos rápidos la preparación de la mezcla combustible se efectúa en centésimas de segundo. Cuanto más rápido es el motor tanto menor tiempo se le concede para formar la mezcla y más difícil será realizar la carburación con alta calidad. (para frecuencia de rotación 3000 rpm es poco más de 0.02 s). La temperatura: las condiciones del medio circundante (temperatura, presión y humedad del aire), el régimen de funcionamiento del motor y las propiedades del combustible determinan el estado térmico de la mezcla en el proceso de carburación. Cuando crece la temperatura de la mezcla la intensidad de volatilización del combustible se incrementa y al mismo tiempo se eleva el aprovechamiento de calor (crece el rendimento indicado del motor). 10

11 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CARBURACIÓN
Los esquemas estructurales y el acabado de los elementos del sistema de admisión y de la cámara de combustión: El esquema de principio del carburador, la estructura de sus elementos, el número y la disposición de los carburadores, el sistema de calentamiento de la mezcla, la calidad de la superficie la forma y sección del conducto de admisión y la forma de la cámara de combustión, determinan considerablemente la posibilidad de distribuir uniformemente la mezcla y obtener su composición homogénea para diferente regímenes de funcionamiento del motor. La calidad del combustible: En función de las propiedades de la gasolina la volatilización puede transcurrir con desigual intensidad. La gasolina está compuesta por varios hidrocarburos que se caracterizan por su diferente volatilidad. El elevado contenido de fracciones ligeras en la gasolina condiciona un alto contenido de vapores en la mezcla, mejor uniformidad de la distribución del combustible en el aire y un arranque más fácil del motor. Los regímenes de funcionamiento del motor: La temperatura del aire ambiental y del conducto de admisión. 11

12 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CARBURACIÓN
El carburador debe asegurar los siguientes requerimientos principales: En función del régimen de funcionamiento del motor debe organizar tal combinación de la regulación cuantitativa y cualitativa de la masa y de la composición de la mezcla aire-combustible que ingresa a los cilindros, con la que se obtengan las condiciones óptimas de explotación del motor (la máxima potencia o la mayor economía y la menor toxicidad de los gases quemados, siendo estable el trabajo del motor en todos los regímenes). La distribución más uniforme posible del combustible en el flujo de aire para todos los regímenes de funcionamiento del motor. Con esto consigue la máxima posibilidad de obtener una composición homogénea de la mezcla en los cilindros, bajo la cual se garantizan iguales condiciones para su encendido y combustión en todos los cilindros. La distribución uniforme de la mezcla entre los cilindros permite realizar el proceso de combustión utilizando una composición media de la mezcla más pobre, lo que contribuye a mejorar la economía del motor y disminuir la toxicidad de los gases quemados. 12

13 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CARBURACIÓN
El carburador deba asegurar los siguientes requerimientos principales: El arranque seguro del motor a diferentes condiciones de temperatura y su funcionamiento estable, siendo baja la frecuencia de rotación del cigüeñal a marcha en vacío. La posibilidad de variar corespondientemente la regulación de los sistemas del carburador en función del estado técnico del motor y de las condiciones de operación. El mantenimiento del reglaje establecido en todos los sistemas del carburador durante un prolongado tiempo de servicio del motor. Una simple y fiable estructura que facilite el mantenimiento y la reparación de todos sus sistemas. 13

14 FUNDAMENOS FÍSICOS DEL PROCESO DE CARBURACIÓN
La formación de la mezcla en los motores de carburación se realiza mediante un conjunto de procesos interrelacionados que tienen lugar durante la dosificación del combustible y el aire y también durante el desplazamiento de la mezcla desde el carburador hasta los cilindros. 14

15 Procesos de formación de la Mezcla.
Pulverización del combustible. Formación y movimiento de la película de combustible. Vaporización del combustible. La no uniformidad de la composición de la mezcla en los diferentes cilindros. 15

16 Pulverización del Combustible
Inmediatamente después de la salida del chorro de la mezcla, del pulverizador comienza su desintegración como resultado de la acción de las resistencias aerodinámicas debido a que la velocidad del aire es considerablemente mayor que la velocidad del combustible . Este método de pulverización se denomina aéreo o neumático ya que para desmenuzar el combustible se utiliza la energía cinética del aire. El mejoramiento de la pulverización aumenta la superficie total de las gotas y posibilita su más rápida evaporación. La experiencia indica que el diámetro medio de las gotas a la saliza del carburador se puede considerar a groso modo igual a 0.1 mm. 16

17 La pulverización del combustible se intensifica al aumentar la velocidad relativa del aire.
La finura y la homogeneidad de la pulverización en peoran cuando las magnitudes de la viscosidad y el coeficiente de tensión superficial del combustible aumenta. 17

18 Formación y movimiento de la película de combustible
Las fuerzas que surgen al interactuar las gotas con el flujo de aire, así como las fuerzas gravitacionales ocasionan la precipitación de las partículas sobre las paredes del conducto principal de aire del carburador y las tuberías de admisión. Las gotas extendiéndose sobre las paredes forman una película de combustible. Cuando la película es suficientemente grande el flujo de aire puede desprender gotas de combustible, es decir, se observa un segundo proceso de formación de gotas. 18

19 La experiencia indica que la mayor cantidad de película se forma en el régimen de cargas completas y pequeñas revoluciones, cuando la velocidad del flujo del aire y por lo tanto, la finura de la pulverización del combustible, es comparativamente pequeña. En este régimen la cantidad de película a la salida de la tubería de admisión puede alcanzar hasta un 25 % del gasto total de combustible 19

20 Vaporización del Combustible
El combustible de la superficie de las gotas y la película se evaporan a una temperatura comparativamente pequeña. En el período inicial, al encontrarse el combustible con el aire, la velocidad de su movimiento relativo puede alcanzar 100 m/s y más, lo que provoca que el proceso de vaporización inicial se realice rápido. 20

21 Después de la aceleración de las gotas, la vaporización del flujo se limita por el intercambio de calor entre el aire y el combustible. Las gotas se hallan en el sistema de admisión entre y 0.5 segundos aproximadamente. En este tiempo logran vaporizarse solo las gotas más finas. Un papel esencial lo desempeña la vaporización en la superficie de la película, la cual se somete intensamente a la acción del flujo. El intercambio de calor con las paredes del conducto de admisión, posee gran importancia, por esto, los conductos de admisión por regla general se calientan por medio del líquido refrigerante del motor o los gases de escape. 21

22 La no uniformidad de la composición de la mezcla en los diferentes cilindros
Las causas fundamentales de la no uniforme composición de la mezcla en los diferentes cilindros son: Asimetría geométrica de los conductos y la zona de ramificación de estos; asimetría del flujo de la mezcla y la distribución no uniforme del combustible en las secciones del flujo; diferentes intervalos de tiempo entre las carreras de admisión en los cilindros vecinos. 22

23 Grado de no uniformidad de la formación de la mezcla
Si por ejemplo, Di > 0 significa que en el cilindro dado, la mezcla es más pobre que en el motor en su conjunto. 23

24 Esquema de un sistema de alimentación del motor de carburación
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25 Requerimiento de mezcla para regímenes estacionarios y transitorios
Los requerimientos de la mezcla pueden enfocarse en dos regímenes: Regímenes estacionarios. Regímenes transitorios. 25

26 Regímenes estacionarios
Son aquellos en que el funcionamiento del motor se realiza con cargas, frecuencia de rotación y temperaturas constantes. Por ejemplo en motores que trabajan accionando bombas de agua, generadores de electricidad, etc. También el movimiento de un vehículo en carretera (autopistas) a velocidad prácticamente constante asemeja en gran medida las condiciones para que su motor se considere trabajando en régimen estacionario 26

27 Regímenes Transitorios
Tienen características contrarias y son ejemplo de ellos: el cambio de un régimen a otro (aceleraciones y desaceleraciones), el arranque en frió y el período de calentamiento del motor 27

28 Regímenes Estacionarios
Los régimen estacionarios a su vez pueden caracterizarse en tres etapas o regímenes de carga en un motor automotriz. Sin carga y baja carga. Carga media. Alta carga y máxima carga. 28

29 Sin carga y baja carga. Los requerimientos de mezcla en estos regímenes estacionarios son de una alta riqueza e la mezcla (0.6< <0.7) y poca cantidad de la misma. Esto queda condicionado por las características propias de funcionamiento en este régimen: gran estrangulación de la mariposa (cerrada casi completa). En esas condiciones la presión de vacío en el múltiple de admisión es muy alta (P2 = 400 – 460 mm hg). Además, cuando se abren las válvulas de admisión antes de finalizar la carrera o proceso de escape (en dependencia del solape), existe en el cilindro una presión positiva superior a la del múltiple de admisión. Parte de los gases de escape se expanden hacia este último. El retorno de esos gases de escape se realiza en el proceso de admisión junto con la carga fresca. Por estar casi cerrada la mariposa la cantidad de carga fresca (mezcla) es pequeña y con un alto contenido de gases de escape (aumentando el coeficiente de gases residuales). En estas condiciones la mezcla se encuentra fuera de los límites de inflamación por lo que resulta imprescindible aumentar la riqueza para contrarrestar el efecto negativo de los gases de escape. .. 29

30 Carga Media Los requerimientos de la mezcla en esta régimen son de mezclas pobres en general 1 < <1.2 de ahí que este sea el régimen más económico de funcionamiento. Con las aperturas medias de la mariposa y el consiguiente aumento de la cantidad de aire de admisión, disminuye el efecto de dilución de los gases de escape en la mezcla fresca y disminuye el coeficiente de gases residuales. Puede entonces disminuirse la proporción de combustible en la mezcla ( aumenta ) hasta valores razonables que aumenten el rendimiento indicado y no comprometan la liberación total de energía de la mezcla ni la velocidad de propagación del frente de llama 30

31 Alta Carga y Máxima Carga
En estos regímenes se parte del supuesto anáalisis de que el motor necesita desarrollar altos valores de potencia y por tanto se requiere mayor liberación de energía. En estas condiciones el factor economía de combustible no cuenta. Para lograr esto se requieren grandes cantidades de aire de admisión (mariposa muy abierta o totalmente abierta) y un enriquecimiento de la mezcla, aunque esto último afecte el rendimiento indicado (0.85< <0.9) 31

32 Baja Media Máx. Carga 32

33 Regímenes no Estacionarios (transitorios)
Durante el funcionamiento en el régimen estacionario se establecen condiciones de equilibrio entre las fases líquido – vapor del combustible en el múltiple de admisión. Al variar la temperatura o la presión en el múltiple de admisión producto de un régimen cambiante, el referido equilibrio se desplaza hacia una de las fases trayendo por consecuencia la modificación brusca de la riqueza de la mezcla que entra en los cilindros. 33

34 Arranque en Frió Para el arranque con el motor frio, este necesitará como requerimiento una mezcla muy rica para que la misma llegue a los límites de inflamación dentro de los cilindros, gracias a la evaporación de los componentes más ligeros del combustible (las que vaporizan a menor temperatura). La mezcla deberá ser más rica mientras menor sea la temperatura ambiente. Una vez que el motor haya arrancado, la mezcla deberá empobrecerse progresivamente a medida que el motor se calienta hasta que funcione satisfactoriamente con la dosificación normal del régimen estacionario correspondiente. 34

35 Aceleraciones Durante las aceleraciones el requerimiento de mezcla es la necesidad de un enriquecimiento brusco e instantáneo dela mezcla. Esto se debe a que al abrirse rápido la mariposa hay un aumento de presión P2 en el múltiple. Se rompe el equilibrio de la fase líquido – vapor de combustible hacia la fase líquida y se deposita mayor cantidad de combustible líquido sobre las paredes del múltiple, que la cantidad que se desprende de estas paredes por evaporación. Eso empobrece bruscamente la mezcla, por lo que sobreviene el “fallo de fuerza” en el motor que debe solucionarse inyectando una cantidad de combustible que enriquezca la mezcla de forma “instantánea”. Este molesto fenómeno no se presenta con los sistemas de inyección de gasolina al no haber combustible depositado en las paredes del múltiple. 35

36 Desaceleraciones En las desaceleraciones el efecto es contrario pero lo que el requerimiento de la mezcla está dado por la necesidad de empobrecerla bruscamente, o suprimir totalmente la entrada de combustible cuando se trata de frenar el vehículo con el motor. Al cerrarse bruscamente la mariposa aumenta también bruscamente el vacío (disminuye la presión P2) en el múltiple, tendiendo a desprenderse toda la fase líquida de las paredes el múltiple con el consiguiente enriquecimiento de la mezcla y la tendencia a que ocurra explosiones en el escape, (esto último puede incrementarse si el encendido está retrasado). 36

37 CARBURADOR IDEAL Económico (ge mín) Pot máx (Pe max)
Representación gráfica de el coeficiente de exceso de aire en función de la rarefacción en el difusor. 37

38 CARBURADOR ELEMENTAL II Difusor
1 Entrada de aire que pasa por el filtro. 7 Cuba mantiene el nivel de gasolina cte. 8 Calibre por donde pasa el combustible. 38

39 Sistema dosificador principal.
MODIFICACIONES HECHAS AL CARBURADOR ELEMENTAL Sistema dosificador principal. Sistema de marcha en Vacío (progresión) y Ralentí (Arranque). Bomba de Aceleración. Economizador. Arranque en frio 39

40 Sistema dosificador principal
Trabaja a medianas y altas cargas 1- Difusor. 2- Calibre de aire 3- Pozo. 4- Calibre de combustible 40

41 Sistema de marcha en vacío y de arranque
Trabaja a bajas cargas, especialmente a bajas frecuencia de rotación del cigüeñal. 7 Calibre de ralenti 10 calibre de aire emulsionado para dism vacio en el espacio detrás de la mariposa de los gases. 41

42 Bomba de aceleración b a Trabaja a cargas medias
1 conducto de entrada. 2 calibre de la bomba de acel. 4 válvula de escape. 5 platina de unión. 6 vástago y resorte 7 pistón de la bomba de acel. 8 válvula de adm a griyete b tirante 9 palanca de accionamiento de la mariposa de gases. b a 42

43 Economizador Trabaja a altas cargas Pueden ser mecánicos o neumáticos
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44 Arranque en Frio Se arranca el motor (se cierra la mariposa de aire) y se aspira combustible de diferentes conductos. 44

45 0.8 1.0 1.2 a b Pe Ga n = cte. 45

46 CONCLUSIONES Se conoció la clasificación de los Motores de Combustión Interna en cuanto a su formación de la mezcla. Se conoció cómo se forma la mezcla en los motores de encendido por chispa (gasolina). Se conoció los requerimiento de la mezcla para regímenes estacionarios y transitorios. Se conoció la característica del carburador elemental. Se conoció cuáles son los sistemas agregados al carburador elemental y sus características 46

47 MSc. Nayví Ferrer Frontela